侵彻试验数据采集系统设计

周彩亲 李世中

【摘要】本文介绍了一种基于STC12C5410AD的侵彻试验数据实时采集的设计方案。该系统主要包括信号采集、无线发送、无线接收、数据的显示和存储。将采集到的数字信号接入STC12C5410AD，再通过nRF905无线模块进行发射，利用相同的模块进行接收，接收到的数据通过串口发送到上位机，可以对数据进行显示和存储。

【关键词】侵彻试验;nRF905模块;数据采集

引言

经济的发展和科技的进步促使地下防御设备的性能越来越完善，从而带动对侵彻的毁伤效果的研究。侵彻主要是通过弹头钻入或穿透物体达到对隐蔽性目标的有效摧毁。对弹丸侵彻过程的研究受到各个国家的重视。硬目标侵彻试验中对各种动态参数的记录，对研发高性能的弹药有重要意义。目前，主要通过弹载记录仪实现恶劣环境下试验数据的动态存储，试验结束后回收存储器，再将数据导入到计算机，进行分析和处理。

本文设计了一种基于STC12C5410AD的远距离侵彻试验数据采集系统，试验过程中避免了找回存储器的麻烦，简化了试验操作，保证了数据的快捷获取。

1.总体结构

硬目标侵彻试验环境相当恶劣，过载高、速度大、冲击大。确保试验数据的正确完整的接收，系统必须可靠地启动发射和接收，不干扰导弹的正常工作。本系统将发射装置装在弹尾，弹接触目标后发射装置开始工作。

本系统前端利用传感器采集原始信号，送入STC12C5410AD后经单片机内部AD转换处理后，单片机控制nRF905无线模块将采集到的信号发射出去，远距离的nRF905模块对信号进行接收处理后，单片机的串口将试验数据传输给计算机，方便数据的显示、分析和存储。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

以STC12C5410AD为核心器件，设计了复位电路、晶振电路、在线下载电路、稳压电路及其与nRF905的连接电路。软件方面给出了发射和接收的程序流程。用纽扣锂电池为发射端系统供电，功耗低。nRF905完成数据的编码，调制和发射。

2.硬件设计

由宏晶科技生产的STC12C5410AD单片机是单时钟/机器周期的兼容8051内核单片机，速度高，功耗小。其主要性能特点如下：增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU;对于5V单片机工作电压为5.5V-3.4V，对于3V单片机工作电压为3.8V-2.0V;支持ISP/ASP，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序而无需专用编程器;I/O口可设置成准双向口/弱上拉、推挽/强上拉、仅为输入/高阻、开漏四种模式。STC12C5410AD单片机中包含中央处理器、程序存储器（Flash）、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换模块、PWM（或捕捉/比较单元）以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器、MAX810专用复位电路等模块。图2所示为发送端单片机外围电路和nRF905芯片电路。发送端单片机的外围电路，包括晶振电路、复位电路、MAX232电路、稳压电路。单片机通过RxD和TxD引脚连接MAX232，实现程序的在线下载。CSN、MOSI、MISO、SCK用于连接nRF905无线发射模块的SPI接口，AD_IN用于接收待发射的信号。

三端稳压集成电路LM7805只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。其使用很少的外围元件组成稳压电源，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

利用nRF905无线收发芯片设计了本系统的无线通信传输模块，完成试验数据的无线传输。nRF905的指令操作简单，外围器件少，抗干扰能力较强。而且体积较小，对使用空间要求比较低。芯片内置调制器、频率合成器、功率放大器、晶体震荡器等模块，在433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段工作。50kbps的传输速率，高效GSFK调制，适合工业控制场合。内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制。模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，提供中断指示，可直接与各种单片机相连接使用，软件编程方便。1.9V～3.6V的工作电压范围，待机模式下电流仅为12.5μA，-40℃～+85℃的工作温度范围。通过SPI接口与单片机连接。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。ShockBurst工作模式的提点是自动产生前导码和CRC，电流消耗低。

nRF905芯片VCC脚接电压范围为3.3V～3.6V之间，超过3.6V会烧毁模块。除VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接连接。芯片主要工作在典型ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式、掉电和SPI模式、STANDBY和SPI模式四种工作模式。前两个是活动模式，后两个是节电模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的值来设定。

3.软件设计

系统的发送流程为：在试验过程中，单片机接收到传感器采集到的信号，经处理后，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据传送给nRF905，在通信协议和器件配置时确定SPI接口速率;单片机置高TRX_CE和TX_EN，将nRF905设置为发送模式;nRF905发送数据（自动开启射频寄存器，对数据加字头和CRC校验码进而打包，发送数据包，数据发送完后置高数据准备好引脚）;如果AUTO_RETRAN被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低;当TRX_CE被置低，nRF905发送完成，自动进入空闲模式。

系统的接收流程为：接收端单片机置高TRX_CE，同时置低TX_EN， nRF905为接收模式;nRF905在650us后不断监测，等待接收数据;当监测到同频段载波时，置高载波检测引脚;接收到相匹配的地址时，置高AM引脚;接收到一个正确的数据包后，nRF905自动移去字头、地址和校验码，置高DR引脚;单片机置低TRX_CE，进入空闲模式;通过SPI口单片机以一定速率把数据移到单片机内;接收完所有的数据，置低DR和AM引脚。接收成功后，单片机可以通过串口把数据保存到计算机上。

4.试验验证

本系统采用STC12C5410AD作为主控器，nRF905作为无线发送接收模块，工作频段433MHz。通过串口调试助手将接收到的数据显示出来。将发射端和接收端相距50米，发送端单片机控制无线模块发射自加数据，接收端单片机接收到数据后通过串口在计算机上保存、显示。如图3所示。该系统在静态试验中能比较好的接收到无线信号。

图3 上位机接收到的数据

5.结语

针对现在侵彻试验弹载存储器回收难的问题，本文将RF射频技术应用到数据采集系统中，提出一种基于射频传输的数据采集系统。系统设计简单，成本低。现阶段该系统在普通环境中可以传输，但对于存在各种干扰、过载高的环境系统还需要再改进。

参考文献

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